터널은 왜 둥근 거예요?

국토의 70%가 산지인 우리나라는 차를 타고 달리다 보면 크고 작은 터널을 쉽게 볼 수 있어요. 국토교통부의 조사에 따르면 지난해 기준 국내 도로에는 총 2,682개의 터널이 있다고 해요. 그중 고속도로에만 1,204개의 터널이 존재한다고 하니 우리 친구가 할머니 댁에 다녀오는 길에 터널을 엄청 많이 만날 법도 하네요~

그런데 터널을 통과할 때마다 뭔가 공통점을 발견하지 않았나요? 맞아요! 터널은 모두 둥근 모양이에요. 거대한 산속을 통과하는 터널이 무너지지 않고 버틸 수 있는 비결은 바로 이 둥그런 아치 구조에 있답니다.

l 터널이 튼튼히 버틸 수 있는 이유는? 바로 둥근 모양에 있다!

아치(arch)는 구부러진 곡선 구조를 말해요. 아치 구조는 위에서 누르는 힘을 곡선을 따라 아래로 분산시켜 하중을 줄여주기 때문에 예부터 구조적으로 우수한 건축기법으로 손꼽혔어요. 내부가 뚫려 있는 터널이 산의 무게를 거뜬히 버틸 수 있는 건 터널 위에 쌓여있는 흙과 암석의 무게를 아치 구조를 통해 밑으로 내려 바닥이 하중을 견딜 수 있도록 하기 때문이에요. 이런 원리를 공학 용어로는 ‘아칭 효과 (Arching Effect)’라고도 불러요. 만약 터널이 사각 구조였다면 평평한 천장에 하중이 집중되어 균열이 발생하고 무너질 우려가 있어요.

우리 친구, 바닷가에서 두꺼비집이나 모래성 만들어 본 적 있죠? 동그랗게 만든 두꺼비집은 손바닥으로 세게 두드려도 잘 깨지지 않는 반면, 네모반듯하게 쌓은 모래성은 손바닥으로 살짝 누르기만 해도 쉽게 무너지는 것과 같은 원리에요. 터널이 아치 구조를 고집하는 이유, 이제 알겠죠? 터널 외에도 아치 형태는 다리나 건물 등 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있어요. 우리 몸의 무게를 견디는 발바닥도 아치 모양으로 되어있고, 장기를 보호하는 갈비뼈도 아치 형태랍니다.

아치 구조를 여러 방향으로 더하면 천장이 사방으로 동그란 돔(dome) 구조가 돼요. 둥근 그릇을 엎어놓은 모양인 돔 구조는 아치 구조의 입체적인 형태라고 할 수 있어요. 돔 구조는 위에서 누르는 힘을 둥그런 천장을 따라 구조물 전체에 분산시키기 때문에 기둥이 없이도 스스로 버틸 수 있어요. 이게 바로 야구장이나 축구장을 실내 구장으로 만들 때 돔 구조를 적용하는 이유랍니다. 실내 구장에 기둥이 잔뜩 있으면 제대로 경기를 할 수 없겠죠? 이렇게 아치 구조와 돔 구조는 수직 하중을 수평 방향으로 분산시켜 큰 무게를 지탱하는 동일한 과학적 원리가 작용해요.

l 천장이 울룩불룩한 터널의 비밀!

이런 아치, 돔 구조 원리는 스틸을 만들 때도 그대로 적용된답니다. 평평한 강판보다 구불구불 아치 모양으로 생긴 강판이 훨씬 더 강하거든요! 그럼 아치 구조의 터널에, 아치 구조의 강판을 적용하면 어떨까요? 당연히 더 강하고 안전한 터널을 만들 수 있겠죠? 바로 위에 있는 사진처럼요.

사진 속 터널은 남산 버티고개에 있는 생태터널이에요. 사람과 동물이 도심 속에서도 안전하게 길을 건널 수 있도록 만든 터널인데요. 자세히 보면 터널 천장이 울룩불룩한 거 보이나요? 맞아요. 이게 바로 구불구불 곡선을 넣은 강판으로 만든 터널이랍니다. 이런 강판은 ‘파형(波形)강판’이라고 불러요. 파형강판은 평평한 강판보다 강성^*이 높아 더욱 안전한 터널을 만들 수 있어요. 좀 더 자세히 알아볼까요? ^*강성(强性): 하중을 받는 구조물이나 부재가 변형에 저항하는 성질.

l 평평한 스틸보다 구불구불한 스틸이 강하다?

파형강판은 일반 강판에 비해 단면계수가 10~30배 높데요. 단면 계수는 하중을 지탱하기 위해 견뎌야 하는 정도를 숫자로 나타낸 거라 생각하면 쉬워요. 단면 계수가 높을수록 하중에 대한 저항력이 높답니다. 그 원리도 터널에서 본 아치 구조에서 찾을 수 있어요. 강판에 아치 모양으로 굴곡과 높이를 만들어 강성을 극대화한 거죠.

위 그림처럼 강판 위에 무거운 물체를 올려놓는다고 가정해볼까요? 평평한 강판은 수직 하중을 그대로 받기 마련이지만 파형 강판은 윗부분의 무게가 파형강판의 곡선을 따라 분산되기 때문에 같은 두께라도 더 큰 힘을 견딜 수 있어요. 이렇게 강한 파형강판은 큰 무게를 견뎌야 하는 터널은 물론이고, 광물을 실은 거대한 트럭이 오가는 광산 진입 도로, 강력한 방호 성능이 필요한 탄약고, 방호벽 등 국방시설에도 쓰인답니다.

속이 텅텅 빈 터널이 터널을 둘러싸고 있는 흙과 암석의 무게를 거뜬히 버텨내는 비결, 구불구불한 강판이 평평한 강판보다 강한 이유는 ‘아치 구조’의 같은 과학적 원리에서 비롯된 거였네요. 우리 친구, 이제 아무리 긴 터널을 만나도 겁먹을 필요 없겠죠?